DE4015893A1 - Contactless and non-destructive structure testing appts. - scanning inner or outer surface of absorptive test piece by modulated excitation laser beam - Google Patents
Contactless and non-destructive structure testing appts. - scanning inner or outer surface of absorptive test piece by modulated excitation laser beamInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersu chung der inneren und/oder äußeren Struktur absorpti onsfähiger Prüflinge mit einer Strahlungsquelle, mit der ein gebündelter, modulierter, den Prüfling abta stender Anregungsstrahl erzeugbar ist, mit dem eine örtlich induzierte Temperaturmodulation an der Oberflä che des Prüflings erzeugbar ist, mit einem Strahltei lerelement im Anregungsstrahl, mit dem der Anregungs strahl zur Überwachung der Strahlintensität teilweise ausblendbar ist und mit dem ein vom Prüfling zurück reflektierter, vom Anregungsstrahl herrührender Licht strahl zur Überwachung des Meßpunktes auf einen Ortsde tektor abbildbar ist.The invention relates to a device for Untersu Inner and / or outer structure absorpti test specimens with a radiation source, with which is a bundled, modulated, the test subject continuous excitation beam can be generated with which one locally induced temperature modulation on the surface surface of the test specimen can be generated with a blasting unit ler element in the excitation beam with which the excitation beam to monitor the beam intensity partially can be hidden and with the one back from the test object reflected light originating from the excitation beam beam for monitoring the measuring point on a local de tector can be mapped.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 30 34 944 bekannt, bei der zur Überwachung des Meßpunktes auf der Oberfläche des Prüflings im Anregungsstrahl ein Strahl teiler und im abgelenkten Teilstrahl ein Fernrohr vorgesehen sind. Damit ist es einem menschlichen Be nutzer möglich, über das Fernrohr den mit dem Licht strahl beaufschlagten Punkt des Prüflings zu über wachen. Die derart optisch erfaßte Information schafft die Möglichkeit, die aus der Rückseite des Prüflings heraustretende und über einen fokussierenden Spiegel auf einen Detektor geleitete Wärmeabstrahlung einem bestimmten Punkt des Prüflings zuzuordnen. Es ist nicht möglich, aus der erfaßten Strahlungsinformation darauf zu schließen, ob eventuell erfaßte Defekte im Innern des Prüflings oder an seiner Oberfläche auftreten. Such a device is from DE-OS 30 34 944 known in the monitoring of the measuring point on the Surface of the test object in the excitation beam divider and a telescope in the deflected beam are provided. So it is a human being users possible, using the telescope with the light point of the device under test watch. This creates information that is optically captured the possibility that from the back of the test specimen coming out and using a focusing mirror heat radiation conducted to a detector assign a specific point to the test object. It is not possible from the detected radiation information on it to conclude whether any defects are detected inside of the test object or on its surface.
Aus dem Artikel "Photothermal Spectroscopy on a Micro scopic Scale" von D.R. Petts und H.K. Wickramasinghe aus 1981 Ultrasonics Symposium, Seite 832 bis 836 ist ein photothermisches Mikroskop bekannt, das ebenfalls das gleichzeitige Erfassen von zwei Reflektionsbildern zuläßt. Der Prüfling selbst wird zur Abtastung seiner Oberfläche durch eine X-Y-Verschiebeeinrichtung in der Ebene senkrecht zum ihn beaufschlagenden Lichtstrahl verschoben. An dem sich verändernden thermischen Signal ist nicht festzustellen, ob die Veränderungen nur auf thermische Inhomogenitäten innerhalb des Prüflings zurückgeführt werden können.From the article "Photothermal Spectroscopy on a Micro scopic Scale "by D.R. Petts and H.K. Wickramasinghe from 1981 Ultrasonics Symposium, pages 832 to 836 a photothermal microscope known that also the simultaneous acquisition of two reflection images allows. The test object itself is used to scan it Surface by an X-Y shifting device in the Plane perpendicular to the light beam that hits it postponed. On the changing thermal signal Can't determine if the changes are just on thermal inhomogeneities within the test object can be returned.
Beim Einsatz der bekannten photothermischen Meßgeräte ergeben sich Schwierigkeiten bei der Justage auf die zu prüfende Fläche, insbesondere bei der Verwendung von Lasern und anderen Lichtquellen im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich. Weiterhin ist es von Nachteil, daß die heizende thermische Lichtquelle nicht überwacht wird, so daß hier auftretende Schwankungen das Meß signal verfälschen.When using the known photothermal measuring devices there are difficulties in adjusting to testing area, especially when using Lasers and other light sources in the invisible Wavelength range. It is also disadvantageous that the heating thermal light source is not monitored is, so that fluctuations occurring here the measurement distort signal.
Schließlich ist aus der DE-OS 38 13 258 eine Vorrich tung zur berührungslosen und zerstörungsfreien Prüfung von absorptionsfähigen Materialien bekannt, bei der ein infraroter Laserstrahl ein Werkstück abtastet, wobei die reflektierende infrarote Strahlung über Wellenlei ter auf einen Infrarotdetektor abgebildet wird. Bei dieser Anordnung ist von Nachteil, daß die zu prüfende Stelle nicht ohne zusätzliche externe Hilfsmittel einjustiert werden kann. Auch kann durch die Auswertung des Meßsignals nicht festgestellt werden, ob Defekte an der Oberfläche oder in der Tiefe des Materials auftre ten.Finally, from DE-OS 38 13 258 Vorrich for non-contact and non-destructive testing of absorbent materials known in which a infrared laser beam scans a workpiece, whereby the reflecting infrared radiation via waveguide ter is imaged on an infrared detector. At This arrangement has the disadvantage that the one to be tested Do not place without additional external tools can be adjusted. Can also by evaluation of the measurement signal can not be determined whether defects surface or depth of the material ten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin dung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der ein gangs genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, die gemessenen thermischen Signale daraufhin zu überprüfen, ob die Effekte vom Materialinnern oder von der Ma terialoberfläche kommen.The Erfin is based on this state of the art dung the task, a device of a gangs mentioned type, which makes it possible to check the measured thermal signals, whether the effects from the material inside or from the Ma material surface.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der vom Prüfling zurückgeworfene Infrarot-Lichtstrahl durch einen im Lichtgang des Anregungsstrahls angeord neten dichroitischen Spiegel hindurchtritt und auf einen Infrarotdetektor leitbar ist.This object is achieved in that the infrared light beam reflected by the test object arranged in the light path of the excitation beam the dichroic mirror passes through and on an infrared detector is conductive.
Dadurch daß der vom Prüfling zurückgeworfene Infrarot- Lichtstrahl ausblendbar ist und auf einen Infrarotde tektor geleitet wird, kann zugleich das innere und äußere Inhomogenitäten beinhaltende Bild des Infrarot detektors mit dem nur die äußeren Inhomogenitäten bein haltende Bild des Ortsdetektors ausgewertet werden. Vorzugsweise ist eine Auswerteschaltung vorgesehen, in der die einzelnen zeitlich gleichzeitig vorliegenden Bilder zu einem kombinierten, nur die inneren Inhomoge nitäten beinhaltenden Bild verbunden werden kann.The fact that the infrared Light beam can be faded out and onto an infrared earth tector, the inner and Image of the infrared containing external inhomogeneities detector with only the external inhomogeneities holding image of the location detector can be evaluated. An evaluation circuit is preferably provided in which is present in the individual at the same time Images combined into one, only the inner inhomogeneity image can be connected.
Die Verwendung einer Fokussierungsoptik im Anregungs strahl gestattet es, diesen auf einen Quadratmikrome ter-großen Punkt der Oberfläche des Prüflings abzubil den, so daß kleinste Inhomogenitäten durch benachbarte Bildpunkte genau eingegrenzt werden können.The use of focusing optics in the excitation beam allows this to be square micrometre the large point of the surface of the test object the so that the smallest inhomogeneities due to neighboring Pixels can be precisely delimited.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:Further advantageous embodiments are in the Subclaims marked. Below is a Embodiment of the invention with reference to the drawing explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur berührungslosen und zerstörungsfreien Erfassung der äußeren und inneren Struktur eines flachen Prüflings, Fig. 1 shows a device for contactless and non-destructive detection of the outer and inner structure of a flat test specimen,
Fig. 2 ein Optikmodul der Vorrichtung nach Fig. 1 zum Einsatz bei verschiedenen thermischen Meßvorrichtungen, und Fig. 2 shows an optical module of the apparatus of FIG. 1, for use in various thermal sensing devices, and
Fig. 3 drei verschiedene thermische Meßvorrichtun gen mit einem Optikmodul nach Fig. 2. Fig. 3 three different thermal Meßvorrichtun gene with an optical module according to FIG. 2.
Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur berührungslosen und zerstörungsfreien Prüfung eines absorptionsfähigen und in seiner Oberfläche im wesentlichen flachen Mate rials. Insbesondere kann es sich bei dem Prüfling 1 um eine flache Platte handeln. Fig. 1 shows a device for contactless and non-destructive testing of an absorbent and in its surface substantially flat mate rials. In particular, the test object 1 can be a flat plate.
Ein Heizlaser 2 sendet einen kollimierten Laserstrahl 3 mit einem vorbestimmten Strahldurchmesser und Strahl profil aus. Der Heizlaser 2 ist eventuell mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenz moduliert, die insbe sondere zu einem Pulsbetrieb des Heizlasers 2 führt. Ein für die Wellenlänge des Lasers 2 vergüteter Umlenk spiegel 4 lenkt den Laserstrahl 3 in einen Meßstrahl 5 um. In dem Lichtweg des Meßstrahls 5 ist ein für die Wellenlänge des Heizlasers 2 vorgesehenes Strahlteiler element 6 angeordnet, das zum Beispiel eine Strahltei lung von 90 : 10 aufweist. 10% der Lichtintensität des Meßstrahls 5 wird in einen Eichstrahl 7 herausgelenkt und beaufschlagt eine Photodiode 8, die insbesondere zur Leistungsüberwachung vorgesehen ist.A heating laser 2 sends out a collimated laser beam 3 with a predetermined beam diameter and beam profile. The heating laser 2 is possibly modulated with a predetermined modulation frequency, which leads in particular to a pulsed operation of the heating laser 2 . A deflected mirror 4 for the wavelength of the laser 2 deflects the laser beam 3 into a measuring beam 5 . In the light path of the measuring beam 5 , a beam splitter element 6 is provided for the wavelength of the heating laser 2 , which for example has a beam splitting of 90:10. 10% of the light intensity of the measuring beam 5 is deflected into a calibration beam 7 and acts on a photodiode 8 , which is provided in particular for power monitoring.
Die Photodiode 8 ist über eine Datenleitung 9 mit einer Regel- und Ansteuervorrichtung 16 verbunden, die über eine Steuerleitung 11 den Heizlaser 2 mit einem Regel signal beaufschlagt. Mit dem so geschlossenen Regel kreis kann mit Hilfe der Regel- und Ansteuervorrichtung 10 insbesondere die Wellenlänge des Lasers 2, seine Strahl-Intensität, seine Modulationsfrequenz, der Modulationsgrad, die Modulationstiefe und die Modulati onsart geregelt werden.The photodiode 8 is connected via a data line 9 to a control and control device 16 , which acts on the heating laser 2 with a control signal via a control line 11 . With the thus closed loop of the control and driving device 10, in particular the wavelength can by means of the laser 2, its beam intensity, its modulation frequency, the modulation degree, the modulation depth and The audio signal are controlled onsart.
Die durch das Strahlteilerelement 6 transmittierten 90% der Intensität des Meßstrahls 5 werden von einem insbesondere nur für die Wellenlänge des Heizlasers 2 vergüteten Umlenkspiegel 12 in einen Justierstrahl 13 umgelenkt. Der Justierstrahl 13 wird mit Hilfe des dichroitischen Umlenkspiegels 15 in den Abtast-Ein gangsstrahl 20 umgelenkt. Der dichroitische Spiegel 15 ist für die Wellenlänge des Heizlasers und kleinere Wellenlängen reflektierend ausgebildet, während er für in der Wellenlänge größere, infrarote Strahlung trans mittierend ist.The light transmitted through the beam splitter element 6 90% of the intensity of the measuring beam 5 are deflected by a tempered in particular only for the wavelength of the heating laser 2 deflecting mirror 12 in an aligning beam. 13 The adjusting beam 13 is deflected with the aid of the dichroic deflection mirror 15 into the scanning input beam 20 . The dichroic mirror 15 is designed to be reflective for the wavelength of the heating laser and for smaller wavelengths, while it is transmittable for larger infrared radiation in the wavelength.
Der Abtast-Eingangsstrahl 20 wird über zwei, um jeweils eine rechtwinklig zueinander stehende Achse bewegliche Abtast-Spiegel 21 und 22 in einen Anregungsstrahl 25 umgelenkt. Die Abtast-Spiegel 21 und 22 sind über jeweils eine Steuerleitung 26 und 27 mit der Regel- und Ansteuervorrichtung 16 verbunden. Diese steuert die Abtast-Spiegel 21 und 22 derart an, daß der Anregungs strahl 25 den Prüfling 1 abtastet und zeilenweise bzw. spaltenweise jeden vorbestimmten Punkt auf dem Prüfling 1 beaufschlagt. Insbesondere kann eine Fokussierungsop tik 30 vorgesehen sein, die den Anregungsstrahl 25 auf einen Bereich von zum Beispiel einem µm2 auf der Ober fläche des Prüflings 1 bündelt. Der Prüfling 1 aus dem zu untersuchenden Material ist insbesondere absorpti onsfähig und für die Wellenlänge des Anregungsstrahls im wesentlichen undurchlässig ist. The scanning input beam 20 is deflected into an excitation beam 25 via two scanning mirrors 21 and 22, each movable about an axis perpendicular to one another. The scanning mirrors 21 and 22 are each connected to the regulating and control device 16 via a control line 26 and 27 . This controls the scanning mirrors 21 and 22 in such a way that the excitation beam 25 scanning the test object 1 and row-wise or column-wise applied to each predetermined point on the specimen. 1 In particular, a focusing optics 30 can be provided, which bundles the excitation beam 25 to an area of, for example, a μm 2 on the surface of the test specimen 1 . The test specimen 1 made of the material to be examined is in particular capable of absorption and is essentially impermeable to the wavelength of the excitation beam.
Der den Prüfling 1 beaufschlagende Anregungsstrahl 25 wird zum Teil reflektiert bzw. gestreut. Dieses Licht wird über die Spiegel 22, 21, 15 und 7 auf dem Lichtweg 25, 20 und 13 bis zum Strahlteilerelement 6 zurückre flektiert. Ein Großteil des zurückreflektierten und gestreuten Lichtes tritt durch den Umlenkspiegel 6 hin durch, während bei dem genannten Strahlteilungsverhält nis von 90 : 10 10% in den Positionserfassungsstrahl 35 umgelenkt werden, der über ein Filter 36 einen Photodetektor 37 beaufschlagt.The excitation beam 25 impinging on the test object 1 is partly reflected or scattered. This light is reflected by the mirrors 22 , 21 , 15 and 7 on the light path 25 , 20 and 13 back to the beam splitter element 6 . A large part of the back-reflected and scattered light passes through the deflecting mirror 6 , while at the aforementioned beam division ratio of 90: 10 10% are deflected into the position detection beam 35 , which acts on a photodetector 37 via a filter 36 .
Das Filter 36 kann insbesondere als Polarisationsfilter oder als Interferenzfilter ausgestaltet sein. Bei dem Einsatz eines Polfilters wird der Polarisationsgrad der von dem zu prüfenden Material zurückreflektierten und gestreuten Laserstrahlung erfaßt, so daß der Depolari sationsgrad der reflektierten polarisierten Strahlung erfaßt wird, dessen Änderung insbesondere von eventuel len äußeren Oberflächenunebenheiten beeinflußt wird.The filter 36 can in particular be designed as a polarization filter or as an interference filter. When using a polarizing filter, the degree of polarization of the laser radiation reflected and scattered back from the material to be tested is detected, so that the degree of depolarization of the reflected polarized radiation is detected, the change of which is influenced in particular by possible external surface unevenness.
Bei dem Einsatz eines Interferenzfilters wird nur die dann gewünschte und durch die Vergütung des Filters vorbestimmte Wellenlänge zur Photodiode 37 durchge lassen, so daß z. B. nur eine oder mehrere vorbestimmte Farb-Wellenlängen eines Mehrfarblasers die Photodiode beaufschlagen können.If an interference filter is used, only the wavelength desired and predetermined by the remuneration of the filter is then passed through to the photodiode 37 , so that, for. B. only one or more predetermined color wavelengths of a multi-color laser can act on the photodiode.
Der Photodetektor 37 besteht aus einem oder mehreren diskreten Photoelementen. Insbesondere kann ein CCD- Detektor mit einer in der Fig. 1 nicht dargestellten Fokussierungsoptik vorgesehen sein. Mit einem CCD- Detektor sind auch außerhalb vom direkten Strahlweg 25 und 20 zurückreflektierte und gestreute Lichtbestand teile in ihrer Lage, Intensität und räumlichen Vertei lung erfaßbar. Dadurch ist es möglich, auf die Ober flächenstruktur des Prüflings 1 Rückschlüsse zu ziehen. The photodetector 37 consists of one or more discrete photo elements. In particular, a CCD detector can be provided with focusing optics (not shown in FIG. 1). With a CCD detector are reflected outside of the direct beam path 25 and 20 reflected and scattered light components in their position, intensity and spatial distribution. This makes it possible to draw conclusions about the surface structure of the test object 1 .
Das von dem Detektor 37 erfaßte und im wesentlichen sichtbare oder im nahen infraroten Wellenlängenbereich liegende Licht beaufschlagt über die Datenleitung die Ansteuer- und Regelschaltung 16. Insbesondere kann im Zusammenhang mit den Regeldaten des Lasers 2 auf der Leitung 11 sowie den Stelldaten der Abtast-Spiegel 21 und 22 auf den Leitungen 26 und 27 ein zweidimensiona les Helligkeitsbild der auf den Detektor 37 zurückre flektierten und gestreuten Intensität erstellt werden. Dieses Helligkeitsbild ist in seiner Entstehungsge schwindigkeit nur von der Stellgeschwindigkeit der Abtast-Spiegel 21 und 22 und von der Verarbeitungsge schwindigkeit der Ansteuer- und Regelschaltung 16 abhängig.The light detected by the detector 37 and essentially visible or lying in the near infrared wavelength range acts on the control and regulating circuit 16 via the data line. In particular, in connection with the control data of the laser 2 on the line 11 and the positioning data of the scanning mirrors 21 and 22 on the lines 26 and 27, a two-dimensional brightness image of the intensity reflected and scattered back on the detector 37 can be created. This brightness image is in its development speed only on the actuating speed of the scanning mirrors 21 and 22 and on the processing speed of the control and regulating circuit 16 .
Insbesondere ist es auch möglich, ein von der Fokussie rungsoptik 30 auf einer CCD-Detektormatrix erzeugtes Bild auf einem direkt an die Matrix angeschlossenen Monitor zu betrachten und in einer Auswerteschaltung entsprechend auszuwerten.In particular, it is also possible to view an image generated by the focusing optics 30 on a CCD detector matrix on a monitor directly connected to the matrix and to evaluate it accordingly in an evaluation circuit.
Anstelle der Bewegung der Abtast-Spiegel 21 und 22 kann auch die in der Fig. 1 dargestellte Prüfungsvorrichtung als ganzes auf einem X-Y-Verschiebetisch bewegt werden, so daß der zu der Vorrichtung ortsfeste abtastende Strahl über die Oberfläche des Prüflings 1 bewegt wird.Instead of the movement of the scanning mirrors 21 and 22 , the testing device shown in FIG. 1 as a whole can also be moved on an XY displacement table, so that the scanning beam fixed to the device is moved over the surface of the test specimen 1 .
Der Anregungsstrahl 35, der den Prüfling 1 beauf schlagt, wird zum anderen Teil vom Prüfling 1 absor biert, wobei eine Wärmewelle auftritt, die nach einer gewissen Laufzeit in dem Prüfling 1 auf der der Optik 30 zugewandten Seite aus dem Prüfling 1 heraustritt und über die durch Schrittmotoren angesteuerte Abtast- Spiegel 21 und 22 den dichroitischen Spiegel 15 beauf schlagt. Die Spiegel 21 und 22 und eventuelle in der Fig. 1 nicht gezeichnete Justierspiegel sind breitban dig vergütet, so daß sie sowohl für sichtbares Licht als auch für infrarote Strahlung hochreflektierend sind.The excitation beam 35 , which strikes the test specimen 1 , is partly absorbed by the test specimen 1 , a heat wave occurring which, after a certain running time, emerges from the test specimen 1 on the side facing the optics 30 from the test specimen 1 and via the scanning mirrors 21 and 22 driven by stepper motors strikes the dichroic mirror 15 . The mirrors 21 and 22 and any adjustment mirrors not shown in FIG. 1 are compensated for broadband, so that they are highly reflective both for visible light and for infrared radiation.
Da der dichroitische Spiegel 15 für infrarote Strahlung transmittierend ausgelegt ist, tritt diese Wärmestrah lung 45 durch ihn hindurch und wird von einem im Infra rot-Bereich vergüteten Umlenkspiegel 46 über eine Infrarot-Optik 47 auf einen Infrarotdetektor 48 abge bildet, dessen Ausgangssignal auf der Leitung 49 die Regel- und Ansteuerschaltung 16 beaufschlagt. Damit ist es möglich ein zweidimensionales Wärmebild des Prüf lings 1 zu erzeugen, das in einem anderen Wellenlängen bereich dem Auslesen der optischen Informationen des Detektors 37 über die Leitung 38 entspricht. Die Ab tastrate zur Erzeugung des Wärmebildes muß auf die durch das Material vorgegebene Ausbreitungsgeschwindig keit der Wärmewellen im Material des Prüflings 1 Rück sicht nehmen. Die Wärmewellen entstehen nach Bestrah lung der Materialoberfläche durch den anregenden Laser strahl 25 mit einer bestimmten Bestrahlungsdauer (Mo dulation) infolge von Energieumwandlung über Absorpti on und strahlungslose Desaktivierung. Zur Abtastung der thermischen Anregung wird bei einer Meßfläche von unge fähr 1 mm2 und einer Auflösung von ca. 8 Mikrometern eine Meßzeit von einigen Minuten benötigt.Since the dichroic mirror 15 is designed to be transmissive for infrared radiation, this heat radiation development 45 passes through it and is formed by a redirection mirror 46 coated in the infrared range via an infrared optics 47 to an infrared detector 48 , the output signal of which is on the line 49 applied to the control and control circuit 16 . It is thus possible to generate a two-dimensional thermal image of the test object 1 , which corresponds to the reading of the optical information of the detector 37 via the line 38 in another wavelength range. From the sampling rate for generating the heat of the image must be set to the position predetermined by the material Ausbreitungsgeschwindig the heat waves in the material of the test piece ness 1 paying attention. The heat waves arise after irradiation of the material surface by the exciting laser beam 25 with a certain irradiation time (modulation) as a result of energy conversion via absorption and radiation-free deactivation. In order to scan the thermal excitation, a measuring time of a few minutes is required with a measuring area of approximately 1 mm 2 and a resolution of approximately 8 micrometers.
Mit Hilfe der Bildverarbeitung kann aus den zwei ein zelnen Bildern des optischen Detektors 37 und des Infrarotdetektors 48 ein einziges Bild erstellt werden. daß einzig die Information über innere, in dem Prüfling vorliegende Defekte enthält. Parallel dazu wird das optisch abgetastete Bild des Detektors 37 ausgegeben, das einzig die äußere Oberflächenstruktur und insbeson dere auch Defekte anzeigt. Insbesondere kann in der Auswerteschaltung zur Erzeugung des die inneren Defekte zeigenden Bildes die vom Infrarotdetektor 48 erhaltene zurückgeworfene Intensität rechnerisch für die Stellen der Oberfläche des Prüflings 1 erhöht werden, für die das optische Bild des Detektors 37 ein höheres Reflek tionssignal und damit eine niedrigere Absorption des Anregungsstrahls 25 anzeigt. Umgekehrt wird die innere Defekte zeigende Intensität des vom Infrarotdetektor 48 aufgenommen Strahlung rechnerisch erniedrigt, wenn das Reflektionssignal des Detektors 37 kleiner ist und damit eine erhöhte Absorption des Anregungsstrahls 25 anzeigt. Hierbei wird davon ausgegangen, das die Gesam tenergie des Anregungsstrahls in einen absorbierten und in einen direkt reflektierten Anteil aufgeteilt wird.With the aid of the image processing, a single image can be created from the two individual images of the optical detector 37 and the infrared detector 48 . that only contains information about internal defects present in the test object. In parallel, the optically scanned image of the detector 37 is output, which only shows the outer surface structure and in particular also defects. In particular, in the evaluation circuit for generating the image showing the internal defects, the reflected intensity obtained from the infrared detector 48 can be increased arithmetically for the locations of the surface of the test specimen 1 for which the optical image of the detector 37 has a higher reflection signal and thus a lower absorption of the Indicates excitation beam 25 . Conversely, the intensity of the radiation recorded by the infrared detector 48 , which shows internal defects, is mathematically reduced when the reflection signal of the detector 37 is smaller and thus indicates an increased absorption of the excitation beam 25 . It is assumed that the total energy of the excitation beam is divided into an absorbed and a directly reflected part.
Ein in seiner Leistung schwacher und die thermische Abtastung nicht beeinflussender Justierlaser 52 im sichtbaren Wellenlängenbereich ist in Verlängerung des Justierstrahls 13 angeordnet, so daß der Ausgangsstrahl 53 des Justierlasers 52 über den Umlenkspiegel 15 auf dem Prüfling 1 abgebildet werden kann. Der Umlenkspie gel 12 ist nur für die Wellenlänge des Heizlasers 2 vergütet, so daß das sichtbare Licht des Justierlasers 52 durch den Umlenkspiegel 12 ungehindert hindurch tritt. Damit ist es insbesondere möglich, vor einer thermischen Messung den abzutastenden Bereich durch ein schnelles Verstellen der Spiegel 21 und 22 für einen Benutzer deutlich sichtbar darzustellen.An adjustment laser 52 in the visible wavelength range which is weak in its power and does not influence the thermal scanning is arranged in the extension of the adjustment beam 13 , so that the output beam 53 of the adjustment laser 52 can be imaged on the test object 1 via the deflection mirror 15 . The Umlenkspie gel 12 is only compensated for the wavelength of the heating laser 2 , so that the visible light of the adjusting laser 52 passes through the deflecting mirror 12 unhindered. This makes it possible, in particular, to make the area to be scanned clearly visible to a user prior to a thermal measurement by quickly adjusting the mirrors 21 and 22 .
In einer schnellen Messung ist das optische Bild der Materialoberfläche mit Hilfe des reflektierten Signals des Heizlasers 2 erfaßbar, das über die Datenleitung 38 aus dem CCD-Detektor 37 ausgelesen werden kann, da alle optischen Vorgänge mit Lichtgeschwindigkeit ablaufen.In a quick measurement, the optical image of the material surface can be detected with the aid of the reflected signal from the heating laser 2 , which can be read out from the CCD detector 37 via the data line 38 , since all optical processes take place at the speed of light.
Anschließend ist eine zeitmäßig länger dauernde thermi sche Messung durchführbar, bei der in Abhängigkeit von dem Material selbst und der Dicke des Prüflings jeweils auf die zurücklaufende Wärmewelle gewartet wird, bevor die Abtast-Spiegel 21 und 22 die nächste vorbestimmte Position anfahren können, die der Beauf schlagung eines anderen räumlichen Punkt auf der Ober fläche des Prüflings 1 mit der Strahlung des Heizlasers 2 entspricht. Damit ist es insbesondere bei den übli cherweise sehr kleinen Meßflächen von weniger als 1 mm2 möglich, vor Beginn der eigentlichen thermischen Mes sung zu wissen, ob das Gerät auf die gewünschte Meß fläche auf dem Prüfling 1 eingestellt ist. Dabei bietet das vom Laser 52 auf dem Prüfling 1 erzeugte Signal eine weitere Einstellungshilfe.Subsequently, a thermal measurement which is longer in time can be carried out, in which, depending on the material itself and the thickness of the test specimen, the returning heat wave is waited for before the scanning mirrors 21 and 22 can move to the next predetermined position which the Beauf striking another spatial point on the upper surface of the test specimen 1 with the radiation of the heating laser 2 corresponds. This makes it possible, especially in the case of the usually very small measuring surfaces of less than 1 mm 2 , to know before the actual thermal measurement begins whether the device is set to the desired measuring surface on the test object 1 . The signal generated by the laser 52 on the device under test 1 offers a further setting aid.
Die Fig. 2 zeigt ein Optikmodul 60, dessen Ausgangs strahl 61 über einen Umlenkspiegel 62 in den Lichtweg 63 einer thermischen Materialprüfungsvorrichtung ein koppelbar ist. Der Laser 2 beaufschlagt direkt den Strahlteilerspiegel 6, der in einem Strahlteilungsver hältnis von 50 : 50 bis über 99 : 1 ausgelegt sein kann. Das direkt reflektierte Signal 7 beaufschlagt den Detektor 8, dessen Ausgangssignal 13 die Regel- und Steuerschaltung 16 beaufschlagt. Hiermit ist über die Regelleitung 11 die Intensität und Modulation des Lasers 2 regel- und einstellbar. Das durch den Strahl teilerspiegel 6 hindurchtretende Signal 61 wird über den Umlenkspiegel 62 in den Lichtweg 63 der thermischen Prüfungsvorrichtung eingekoppelt. Dabei ist es auch möglich, daß nicht der Laser 2, sondern eine in den Fig. 1 und 2 nicht dargestellte weitere Heiz-Lichtquel le den Anregungsstrahl 25 erzeugt. Das vom Prüfling 1 zurückreflektierte Lichtsignal wird über den vorzugs weise dichroitischen und nur für die Wellenlänge des Lasers 2 und kleinere Wellenlängen vergüteten Spiegel 62 in den Strahl 61 umgelenkt und vom auskoppelnden Strahlteilerspiegel 6 über eine Blende 65, den Filter 36 und eine abbildende Linse 66 auf den Photodetektor 37 geleitet. Der Photodetektor 37 erfaßt wie in der Fig. 1 das reflektierte und das gestreute optische Signal und führt es über die Leitung 38 der Regel- und Ansteuerschaltung 16 zu. Fig. 2 shows an optical module 60, the output beam 61 via a deflecting mirror 62 a is coupled into the light path 63 of a thermal material testing apparatus. The laser 2 acts directly on the beam splitter mirror 6 , which can be designed in a beam splitting ratio of 50:50 to over 99: 1. The directly reflected signal 7 acts on the detector 8 , the output signal 13 of which acts on the regulating and control circuit 16 . The intensity and modulation of the laser 2 can hereby be regulated and adjusted via the control line 11 . The signal 61 passing through the beam splitter mirror 6 is coupled via the deflecting mirror 62 into the light path 63 of the thermal testing device. It is also possible that not the laser 2 , but a further heating light source (not shown in FIGS. 1 and 2) generates the excitation beam 25 . The light signal reflected back from the device under test 1 is deflected into the beam 61 via the preferably dichroic mirror 62 , which is only coated for the wavelength of the laser 2 and smaller wavelengths, and from the decoupling beam splitter mirror 6 via an aperture 65 , the filter 36 and an imaging lens 66 passed the photodetector 37 . As in FIG. 1, the photodetector 37 detects the reflected and the scattered optical signal and supplies it to the control and control circuit 16 via the line 38 .
Die Fig. 3 zeigt drei thermische Materialprüfungsvor richtungen 70, 71 und 72, bei denen ein Optikmodul aus Fig. 2 einsetzbar ist. Die Materialprüfungsvorrich tungen 70 umfaßt eine in der Fig. 1 dargestellte Scan- Vorrichtung, bei dem der abbildende Anregungsstrahl 25 über zwei Abtast-Spiegel 21 und 22 derart abgelenkt wird, daß er jeden Punkt der Prüflingsoberfläche 1 abtastet. Die Fokussierungsoptik 30, die für alle auftretenden Wellenlängen vergütet und insbesondere korrigiert ist, bildet dabei den Lichtstrahl auf die Oberfläche des Prüflings 1 ab. Die Verwendung einer für alle verwendeten Wellenlängen achromatischen Fokus sierungsoptik 30 gestattet die verzerrungsfreie Abbil dung des Anregungstrahles 25, des Justierlaserausgangs strahles 53 und ebenfalls des zurückgeworfenen Infra rot-Lichstrahles. Fig. 3 shows three thermal Materialprüfungsvor devices 70, 71 and 72, in which an optical module of FIG. 2 can be used. The Materialprüfungsvorrich lines 70 includes a scanning device shown in FIG. 1, in which the imaging excitation beam 25 is deflected via two scanning mirrors 21 and 22 such that it scans every point of the specimen surface 1 . The focusing optics 30 , which are coated and in particular corrected for all wavelengths that occur, images the light beam onto the surface of the test specimen 1 . The use of an achromatic focusing optics 30 for all wavelengths used permits the distortion-free imaging of the excitation beam 25 , the alignment laser output beam 53 and also the reflected infrared light beam.
Andererseits ist es gemäß der Vorrichtung 72 möglich, den abbildenden und anregenden Laserstrahl 25, der über die Fokussierungsoptik 30 auf die Oberfläche des Prüf lings 1 abgebildet wird, durch Bewegen der Prüfvorrich tung 71 als ganzes zu verschieben.On the other hand, according to the device 72, it is possible to shift the imaging and exciting laser beam 25 , which is imaged onto the surface of the test object 1 via the focusing optics 30 , by moving the test device 71 as a whole.
Schließlich ist das in der Fig. 2 dargestellte Modul auch bei einer auf dem Mirage-Effekt beruhenden Mate rialprüfungsvorrichtung 72 einsetzbar, bei der ein abtastender Heizstrahl 75 quer zur Oberfläche des Prüflings 1 verläuft und der abbildende Anregungsstrahl 25 rechtwinklig auf dem Strahl 75 die Oberfläche des Prüflings 1 beaufschlagt.Finally, the module shown in FIG. 2 can also be used in a mate rialprüfungsvorrichtung 72 based on the Mirage effect, in which a scanning heating beam 75 extends transversely to the surface of the test specimen 1 and the imaging excitation beam 25 perpendicular to the surface of the beam 75 DUT 1 applied.
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